【摘要】：針對目前傳統(tǒng)菱形位移放大機(jī)構(gòu)的輸出剛度、固有頻率和位移放大比無法同時(shí)提高的問題,提出了一種雙臂復(fù)合菱形柔性機(jī)構(gòu),并介紹了其理論設(shè)計(jì)與建模方法。基于歐拉-伯努利梁理論和卡氏第二定理,推導(dǎo)出雙臂復(fù)合菱形柔性機(jī)構(gòu)的位移放大比和剛度解析模型,利用拉格朗日方程建立了該柔性機(jī)構(gòu)的固有頻率解析模型,并通過商業(yè)有限元軟件驗(yàn)證了解析模型的準(zhǔn)確性。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果,通過電火花切割工藝加工出復(fù)合柔性機(jī)構(gòu),并與相同尺寸參數(shù)的傳統(tǒng)菱形位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)比較研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,壓電雙層臂柔性機(jī)構(gòu)的固有頻率為1330Hz,位移放大比為4.2,同時(shí)提高了固有頻率和放大比。此外,所建立的位移放大比和固有頻率力學(xué)解析模型可以為新型壓電柔性機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。
【圖文】：

學(xué)和動(dòng)力學(xué)解析建模和理論分析，最后加工出實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。１新型雙臂菱形壓電柔性機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)的菱形位移放大機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊，位移放大倍數(shù)高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了工程界的認(rèn)可。但受限于菱形機(jī)構(gòu)放大比與固有頻率無法同時(shí)提高的缺陷，目前菱形放大機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用于輸出剛度較孝頻響較低的工況。本文提出了一種具有雙臂的復(fù)合菱形位移放大機(jī)構(gòu)，在保持較大位移放大比的同時(shí)，可以提高系統(tǒng)輸出剛度和固有頻率，其具體結(jié)構(gòu)如圖１所示。（ａ）雙臂菱形柔性機(jī)構(gòu)實(shí)物圖（ｂ）雙臂菱形柔性機(jī)構(gòu)原理圖圖１雙臂菱形柔性機(jī)構(gòu)Ｆｉｇ．１Ｒｈｏｍｂｕｓ－ｔｙｐｅｃｏｍｐｌｉａｎｔｍｅｃｈａｎｉｓｍｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｆｌｅｘｉｂｌｅｂｅａｍｓ整個(gè)機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)的菱形放大機(jī)構(gòu)構(gòu)型相似，上下、左右對稱布局，但是放大機(jī)構(gòu)的柔性臂采用雙層結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷通過一定預(yù)緊力安裝在位移放大機(jī)構(gòu)水平對角線之間，在一定的輸入電壓下，壓電陶瓷輸出驅(qū)動(dòng)力和水平位移，在其驅(qū)動(dòng)作用下，菱形雙臂發(fā)生形變而使位移放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生豎直方向的輸出位移。合理優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)，可得到被放大的豎直方向位移輸出。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中保持菱形構(gòu)型不變，與傳統(tǒng)同參數(shù)的菱形放大機(jī)構(gòu)相比，雙臂菱形放大機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中幾何關(guān)系不變，大角度位移放大比幾乎不變；由單臂變?yōu)殡p臂結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)構(gòu)的輸出剛度和固有頻率。２新型柔性機(jī)構(gòu)的解析模型２．１位移放大比模型如圖２所示，假設(shè)壓電陶瓷輸出力和負(fù)載分別為ＦＰＺＴ和ＦＮ，其他幾何參數(shù)定義見圖１。當(dāng)壓電陶瓷在正電壓作用下，位移放大機(jī)構(gòu)水平方向伸長２Δｘ時(shí)，其豎直方向?qū)⒖s減２Δｙ。由于機(jī)構(gòu)具有對稱性，取柔性位移放大機(jī)構(gòu)的１

用雙層結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷通過一定預(yù)緊力安裝在位移放大機(jī)構(gòu)水平對角線之間，在一定的輸入電壓下，壓電陶瓷輸出驅(qū)動(dòng)力和水平位移，在其驅(qū)動(dòng)作用下，菱形雙臂發(fā)生形變而使位移放大機(jī)構(gòu)產(chǎn)生豎直方向的輸出位移。合理優(yōu)化機(jī)構(gòu)參數(shù)，可得到被放大的豎直方向位移輸出。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中保持菱形構(gòu)型不變，與傳統(tǒng)同參數(shù)的菱形放大機(jī)構(gòu)相比，雙臂菱形放大機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中幾何關(guān)系不變，大角度位移放大比幾乎不變；由單臂變?yōu)殡p臂結(jié)構(gòu)，提高了機(jī)構(gòu)的輸出剛度和固有頻率。２新型柔性機(jī)構(gòu)的解析模型２．１位移放大比模型如圖２所示，假設(shè)壓電陶瓷輸出力和負(fù)載分別為ＦＰＺＴ和ＦＮ，其他幾何參數(shù)定義見圖１。當(dāng)壓電陶瓷在正電壓作用下，位移放大機(jī)構(gòu)水平方向伸長２Δｘ時(shí)，其豎直方向?qū)⒖s減２Δｙ。由于機(jī)構(gòu)具有對稱性，取柔性位移放大機(jī)構(gòu)的１／４進(jìn)行力學(xué)分析，則有如下關(guān)系式成立：ＦＰＺＴ＝４ｆｘ；ＦＮ＝４ｆｙ。如圖２所示，柔性雙臂機(jī)構(gòu)由柔性臂ＡＢ和柔性臂ＣＤ組成，因柔性臂ＡＢ與柔性臂ＣＤ的力學(xué)邊界條件以及幾何參數(shù)完全相同，，為簡化力學(xué)分析過程，以柔性臂ＡＢ為例，對雙臂菱形位移放大機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力分析�？紤]柔性臂的固定邊界條件：Ａ、Ｂ兩點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度相等，Ａ點(diǎn)作水平移動(dòng)，Ｂ點(diǎn)作豎直運(yùn)動(dòng)。由于受到Ａ、Ｂ兩點(diǎn)的約束，柔性臂ＡＢ將受到２Ｍｒ力矩的作用，根據(jù)力平衡方程和力矩平衡方程，有ｆＡｘ＝ｆＢｘ＝ｆｘ＝ＦＰＺＴ／４（１）ｆＡｙ＝ｆＢｙ＝ｆｙ＝ＦＮ／４（２）２Ｍｒ＝ｆｘｌａｓｉｎθ＋ｆｙｌａｃｏｓθ（３）圖２雙臂菱形機(jī)構(gòu)受力分
【作者單位】： 西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;中國工程物理研究院總體工程研究所;
【基金】：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575426,51421004)
【分類號】：TH112

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 余波,姚進(jìn),薛江;柔性機(jī)構(gòu)簡介[J];機(jī)械;2000年S1期

2 鄒e

本文編號：2540059